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第 3 章 CMOS 门电路

第 3 章 CMOS 门电路. 孙卫强 http://front.sjtu.edu.cn/dc/. 继电器逻辑电路. 20 世纪 30 年代，贝尔实验室第一部二进制加法器 (1937) 和后来的复数运算器 (1940) ，采用继电器逻辑（ Relay Logic ）. 简单的回顾. 按照使用器件技术的不同，数字逻辑电路可以分为： 继电器逻辑电路： RL 逻辑电路 双极型晶体管电路： TTL 逻辑电路， ECL 电路 单极型 MOS 电路： NMOS ， PMOS 和 CMOS 等 常用的是 TTL 和 CMOS 电路

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第 3 章 CMOS 门电路

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  1. 第 3 章 CMOS门电路 孙卫强 http://front.sjtu.edu.cn/dc/

  2. 继电器逻辑电路 • 20世纪30年代，贝尔实验室第一部二进制加法器(1937)和后来的复数运算器(1940)，采用继电器逻辑（Relay Logic）

  3. 简单的回顾 • 按照使用器件技术的不同，数字逻辑电路可以分为： • 继电器逻辑电路：RL逻辑电路 • 双极型晶体管电路：TTL逻辑电路，ECL电路 • 单极型MOS电路：NMOS，PMOS和CMOS等 • 常用的是TTL和CMOS电路 • 本世纪80年代开始，CMOS逐渐取代TTL，成为集成电路的主导技术

  4. 内容提要 • 半导体和PN结 • MOS晶体管 • CMOS门电路 • 双极型逻辑和TTL电路

  5. 半导体材料硅(Si) 硅的晶格结构（平面图） 硅的晶格结构

  6. 半导体材料硅(Si) VCC 硅的晶格结构（平面图） 电子移动方向 硅的晶格结构 电流方向

  7. 半导体的掺杂 • 半导体中参与导电的实体—载流子(Carrier) • 电子 • 空穴 • 通过改变载流子的数量，可以改变半导体的导电特性 • P型掺杂 • P：Positive • 加入三价元素杂质，例如硼或者铟 • 增加空穴的数量 • N型掺杂 • N：Negative • 加入五价元素杂质，例如磷、砷或锑 • 增加自由电子的数量

  8. P型半导体 多余的空穴 B 掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的

  9. N型半导体 多余的电子 P 掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的

  10. P-N结(P-N Junction) 耗尽层

  11. VCC P-N结的导电特性 当PN结两端加上正向偏置电压时，PN结表现出很小的电阻，处于导通状态

  12. VCC P-N结的导电特性 PN结具有单向导电特性。 当PN结两端加上反向偏置电压时，PN结表现出很大的电阻，处于截至状态

  13. 二极管和三极管 三极管 二极管 N类型半导体 c e PNP b 双极型晶体管命名的由来 两种载流子参与导电。 NPN P类型半导体

  14. NPN BJT导通示意图 http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor

  15. 部分小结 • 本征半导体 • 半导体掺杂(P型掺杂、N型掺杂) • P-N结 • 双极型器件(二极管/三极管)

  16. 内容提要 • 半导体和PN结 • MOS晶体管 • CMOS门电路 • 双极型逻辑和TTL电路

  17. MOS晶体管结构 Gate:栅极 Drain:漏极 Source:源极 n+ n+ p+ p+ p类型基底 n类型基底 PMOS晶体管 NMOS晶体管

  18. MOS晶体管工作原理 栅极(G) 漏极(D) Vgs Vds 源极 (S) p类型基底 以NMOS晶体管为例 Vgs > 0

  19. MOS晶体管符号 漏极 (drain) N沟道MOS管 栅极(gate) + Vgs - 源极(source) - P沟道MOS管 Vgs 源极 + 栅极 漏极 Tips：栅极和另外两个极之间没有什么联系。但是栅极和源、漏极之间有电容耦合， 在高速电路中会产生功耗。

  20. 由其他材料构成的场效应管(FET) • Amorphous silicon (无定形硅) • Polycrystalline silicon(多晶硅) • Organic semiconductors(有机半导体) • H. Sirringhaus, Materials and Applications for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Proc. IEEE, pp.1570-1579, 2009 • H. Sirringhaus, Device Physics of Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Adv. Mater. 2005, 17, 2411–2425

  21. 内容提要 • 半导体和PN结 • MOS晶体管 • CMOS门电路 • 双极型逻辑和TTL电路

  22. CMOS电路 • CMOS: Complementary MOS，互补MOS • 用NMOS和PMOS用互补的方式共用，就形成CMOS。 • NMOS晶体管和PMOS晶体管总是成对出现，状态互补。 • 常用CMOS门电路 • 反相器/与非门/或非门/与或非门/或与非门

  23. CMOS反相器

  24. CMOS反相器的开关模型

  25. CMOS反相器的另一种表示法

  26. CMOS与非门

  27. CMOS与非门的开关模型

  28. CMOS与门

  29. CMOS或非门 CMOS的或门如何得到？

  30. CMOS非反相器

  31. CMOS与或非门 （AOI门） 用一级的延迟实现二级逻辑（与-或，或-与），在设计中比较有用。

  32. 其它的门 • 漏极开路门(Open Drain Gates) - CMOS • 集电极开路门(Open Collector gates) – TTL • Wire-AND（线与） • Tri-state gates（三态门）

  33. 漏极开路门 (OD gate) 上拉电阻 CMOS漏极开路反向器（非门） CMOS反相器（非门）

  34. OD门的逻辑符号 漏极开路与非门

  35. 漏极开路门（集电极开路门）的功能 • 1. 电路接口 • 驱动一个电压要求更高的器件（或设备）。例如用CMOS的逻辑门驱动一个工作电压为12V的继电器 高态输出只能为5V

  36. 漏极开路门（集电极开路门）的功能 • 2. 线与 (Wired AND) • 考虑右图的输出E=? E E=(AB)’(CD)’

  37. 集电极开路(OC) 门

  38. 三态门(Tri-state gates) 三态门实例：CMOS的三态缓冲器

  39. CMOS逻辑系列 • 标识一类CMOS器件（一个CMOS逻辑系列）-- mmFAMnn，其中 • mm: 74/54，表示民用或军用 • FAM：系列助记符，例如HCT，AHC等 • nn：功能描述代码 • 74HC30/74HCT30/74AHC30等均表示8输入与非门 • HC/HCT • High Speed CMOS • High Speed CMOS, TTL compatible • VHC/VHCT (80’s-90’s) • Very High Speed CMOS • Very High Speed CMOS，TTL compatible

  40. 内容提要 • 半导体和PN结 • MOS晶体管 • CMOS门电路 • 双极型逻辑和TTL电路

  41. TTL反相器

  42. 其它的TTL门电路 TTL或非门电路 TTL与非门电路 TTL异或门电路 TTL与或非门电路

  43. TTL逻辑系列 • 74S系列 • 74LS系列 • 74AS系列 • 74ALS系列 • 74F系列

  44. IC classification 74AS 74 TTL 74H 74ALS ECL bipolar 74LS LTTL STTL LSTTL IC technologies 74HC,74AC,74AHC CMOS 74LV,74LVC,74ALV MOS 74BCT,74ABT,74LVT PMOS NMOS BiCMOS

  45. 高态直流 噪声容限 低态直流 噪声容限 TTL和CMOS电路的接口 • 需要考虑的因素 • 噪声容限 • 扇出 • 电容负载

  46. DC Supply Voltage • TTL : • 5V • CMOS: • 5V • 3.3V

  47. Input and Output Logic level TTL VOH VIH VIL VOL

  48. CMOS:5V

  49. CMOS:3.3V

  50. Noise Immunity Noise Immunity: ability to tolerate a certain amount of unwanted voltage noise on its inputs without changing its output state.

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